光伏消納能力關(guān)鍵因素分析

馬軍

摘要：世界經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)消耗著大量的傳統(tǒng)化石能源，造成傳統(tǒng)化石能源供應(yīng)不足，而使用傳統(tǒng)化石能源帶來的環(huán)境污染問題也越來越嚴(yán)重。如何緩解能源供應(yīng)和環(huán)境污染問題是現(xiàn)今世界可持續(xù)發(fā)展的重要議題。加大對(duì)可再生能源的開發(fā)和利用可以有效的緩解棘手的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)問題。而新能源發(fā)電中，由于太陽能資源的儲(chǔ)量無限、廣泛并且具有良好的經(jīng)濟(jì)性，因此太陽能光伏發(fā)電已成為世界各國研究和發(fā)展的重點(diǎn)。伴隨光伏發(fā)電技術(shù)的成熟和生產(chǎn)成本的降低，光伏發(fā)電并網(wǎng)已成為主流趨勢(shì)。然而光伏發(fā)電的輸出功率受外界因素的影響很大，所以并網(wǎng)后會(huì)給配電網(wǎng)帶來很多問題和挑戰(zhàn)。新能源發(fā)電出力間歇性和波動(dòng)性的特點(diǎn)，使其在接入電網(wǎng)后產(chǎn)生了一系列的問題，如影響電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行、消納困難等。加大新能源消納影響因素的研究對(duì)地區(qū)電網(wǎng)新能源并網(wǎng)具有重要指導(dǎo)意義。針對(duì)上述情況，本文將主要研究影響新能源消納的各種因素。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電;光伏消納;影響因素

光伏發(fā)電的消納能力是結(jié)合各種因素和約束條件綜合計(jì)算得到的結(jié)果。圖1-1表示了影響新能源消納能力的各種因素。

一、系統(tǒng)負(fù)荷特性

系統(tǒng)的峰谷差和最小負(fù)荷等因素直接決定了光伏發(fā)電最大允許接入的容量，若接入容量高于系統(tǒng)最小負(fù)荷或系統(tǒng)調(diào)峰能力不足時(shí)，就會(huì)存在棄光，不利于光伏發(fā)電經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

二、電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

所謂電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)堅(jiān)強(qiáng)，不僅僅是指網(wǎng)內(nèi)電源支撐點(diǎn)多而穩(wěn)固，電網(wǎng)具不具備良好的調(diào)峰能力也是考驗(yàn)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)堅(jiān)強(qiáng)的另一指標(biāo)。而電網(wǎng)的調(diào)峰能力優(yōu)劣又和與區(qū)域外電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)的輸送通道是否可靠有關(guān)，有可靠的輸送通道就可以將富余的多余功率輸送到外電網(wǎng)，有效降低光伏棄光率。反之，輸送通道不足就會(huì)限制電網(wǎng)對(duì)光伏的消納[1-2]，從而使棄光率上升造成光伏發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性下降。有充足的外送通道就可以把峰谷時(shí)多余電量送到外省，從而提高地區(qū)電網(wǎng)光伏發(fā)電消納能力。

電網(wǎng)結(jié)構(gòu)主要從變電站和線路容量、站內(nèi)間隔和線路走廊三個(gè)方面影響著地區(qū)電網(wǎng)的消納能力。

1.變電站和線路容量約束

在線路和主變“N-1”校核滿足的條件下光伏才能接入，最小網(wǎng)供負(fù)荷、線路和主變的容量影響著光伏發(fā)電最大消納能力，如式（1-1）：

式中：Smax——最大消納容量;PK——最小網(wǎng)供負(fù)荷;PE——滿足“N-1”條件下主變和線路的容量。

2.站內(nèi)間隔約束

隨著電網(wǎng)建設(shè)往經(jīng)濟(jì)性的方向靠攏，新建的110kV變電站主要以兩個(gè)電壓等級(jí)、橋型接線或是單母線、單母線分段的形勢(shì)進(jìn)行設(shè)計(jì)建設(shè)，35kV變電站的間隔越來越緊張，因此新能源電站在110kV電壓等級(jí)的接入能力直接影響著新能源的消納能力。而110kV變電站的110kV空間隔多數(shù)是為遠(yuǎn)期第二電源接入準(zhǔn)備的，無多余間隔用來接入光伏電站。因此光伏電站想要接入電網(wǎng)，要么接入330kV變電站的110kV間隔，要么T接在110kV線路上。而330kV變電站與電力線路的建設(shè)在當(dāng)下土地資源嚴(yán)重缺乏的形勢(shì)下尤為寶貴。新建的330kV變電站僅僅可以滿足電網(wǎng)發(fā)展的要求，所以從110kV線路上T接光伏電站的方式越來越普遍，大量光伏電站以這種方式接入后又影響著供電可靠性，因此站內(nèi)間隔約束影響著光伏電站的建設(shè)和發(fā)展。

3.線路走廊約束

在城市化建設(shè)的大背景下，城市基礎(chǔ)建設(shè)和電網(wǎng)建設(shè)之間的矛盾逐漸凸顯。輸電線路建設(shè)過程中與當(dāng)?shù)厝罕姷睦婕m紛問題只增不減，嚴(yán)重影響著線路建設(shè)進(jìn)度，加之對(duì)群眾的經(jīng)濟(jì)賠償成本日益增加，使工程建設(shè)成本增加。因此寶貴的線路走廊只能盡可能滿足電網(wǎng)可靠性的要求，從而制約著光伏電站的發(fā)展。

三、系統(tǒng)穩(wěn)定性

系統(tǒng)穩(wěn)定是新能源接入電網(wǎng)首要考慮的內(nèi)容，包括暫態(tài)穩(wěn)定性和靜態(tài)穩(wěn)定性。大規(guī)模的新能源并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生大擾動(dòng)（單相接地或三相短路）后，網(wǎng)內(nèi)發(fā)電機(jī)間功角在第一個(gè)或第二個(gè)搖擺周期內(nèi)不發(fā)生失步，母線電壓和電站頻率能自動(dòng)恢復(fù)到正常穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)電壓、發(fā)電機(jī)出力、支路功率不超過設(shè)備限定的上下限，就可以說明電網(wǎng)對(duì)新能源發(fā)電消納滿足電網(wǎng)穩(wěn)定的要求。

四、調(diào)峰能力

電網(wǎng)的調(diào)峰能力是決定光伏發(fā)電消納能力的主要因素之一[3]。保證電網(wǎng)功率平衡的重要前提是要求電網(wǎng)具備良好的調(diào)峰能力，良好的調(diào)峰能力決定著電網(wǎng)對(duì)光伏發(fā)電的消納能力。光伏發(fā)電受自然環(huán)境因素的影響較大，呈現(xiàn)波動(dòng)性、間歇性的特性，對(duì)于調(diào)峰能力不足的電網(wǎng)，就會(huì)影響光伏的消納。所以電網(wǎng)必須具備足夠的調(diào)峰能力來保障電網(wǎng)及光伏電站的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。因此光伏發(fā)電消納能力與電網(wǎng)調(diào)峰能力關(guān)系密切，對(duì)于受端電網(wǎng)主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

1.因電網(wǎng)事故造成區(qū)域電網(wǎng)完全孤立運(yùn)行時(shí)，區(qū)域電網(wǎng)的調(diào)峰能力迅速介入，使這部分孤立電網(wǎng)保持在穩(wěn)定狀態(tài)。

2.當(dāng)電網(wǎng)電力供不應(yīng)求時(shí)，也需要區(qū)域電網(wǎng)的調(diào)峰能力迅速介入，增加有功出力，使區(qū)域電網(wǎng)保持穩(wěn)定。

但如要實(shí)現(xiàn)上述兩種措施，就必須要求區(qū)域電網(wǎng)有足夠的電網(wǎng)調(diào)峰能力。水電機(jī)組是目前電網(wǎng)中的主要調(diào)峰電源[4]，其以調(diào)整效率高的特點(diǎn)成為電網(wǎng)中的調(diào)峰利器，尤其是具備優(yōu)質(zhì)調(diào)節(jié)庫容的水電站和抽水蓄能電站為主[5]。電網(wǎng)的負(fù)荷特性和光伏發(fā)電的出力特性又決定了電網(wǎng)的調(diào)峰需求，電網(wǎng)峰谷差小則對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰能力的需求也越小，也就為消納光伏并網(wǎng)而留有的電網(wǎng)調(diào)峰容量則越多。

五、電網(wǎng)短路容量

電網(wǎng)短路容量越大電網(wǎng)越堅(jiān)強(qiáng)，外界因素對(duì)電網(wǎng)的影響也越小。電網(wǎng)短路容量也是電網(wǎng)消納能力的指標(biāo)之一，新能源并網(wǎng)下的電網(wǎng)短路電流由大電網(wǎng)和新能源電源組成。由于現(xiàn)有的光伏發(fā)電是通過逆變器方式接入電網(wǎng)，所以來自短路容量方面的限制比較少。當(dāng)發(fā)生單相和三相故障時(shí)，光伏電源對(duì)短路電流的影響幾乎可以忽略不計(jì)，絕大部分的短路電流均來自主網(wǎng)。

六、小結(jié)

改善消納能力的方法很多，通過新建變電站或?qū)ψ冸娬具M(jìn)行擴(kuò)容改造可以緩解新能源并網(wǎng)時(shí)主變?nèi)萘渴芟薜那闆r;通過改造或新建線路可以改善線路輸送容量;通過新建電源可以提高系統(tǒng)備用容量和電網(wǎng)調(diào)峰能力等。

因此，大規(guī)模新能源并網(wǎng)的背景下，節(jié)點(diǎn)電壓上下限、發(fā)電機(jī)有功無功出力上下限、支路功率上下限、主變?nèi)萘可舷孪奘欠穸紳M足要求制約著地區(qū)電網(wǎng)的消納能力。

參考文獻(xiàn)

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[5] 裴哲義，王彩霞，和青等.對(duì)中國新能源消納問題的分析與建議[J].中國電力，2016.